Genetika a kromoszómákon túl: anyai hatás és anyai öröklődés

Mendel egyik kísérletében lila virágú borsónövények petesejtjeit fehér virágokról származó pollenekkel (hímivarsejtekkel) termékenyítette meg. A fehér és a lila borsók „házasságból” az első generációban csupa lila virágú borsók „születtek”: a lila tulajdonság dominált, a fehér pedig mintha eltűnt volna. Az utódnövények keresztezéséből képződött második generációban lila és fehér virágú növények 3:1 arányban képződtek. Nyilvánvaló, hogy a fehér (recesszív) tulajdonság nem tűnt el, csak lappangott az első generáció növényeiben, a második generációban megnyilvánult. A 3:1-es arányból kiindulva Mendel arra a fontos tényre jött rá, hogy a borsóvirágok színét két faktor határozza meg (ezeket nevezzük ma géneknek): az egyik anyai, a másik apai eredetű.

Mendel elvégezte az előző kísérlet fordítottját is: egy ún. reciprok keresztezésben fehér virágú növények petesejtjeit lila virágú növények pollenjeivel termékenyítette. Mint az előző kísérletben, az első generációban itt is minden növény lila virágú volt, a második generációban lila és fehér virágú növények származtak 3:1 arányban. Vagyis a lila/fehér virágszín öröklődésé nem függ a szülők nemétől. Azt, hogy az első generáció növényei valóban hordozzák a virágszínt meghatározó gén fehér változatát (a génváltozatot allélnak nevezzük), Mendel elegánsan bizonyította: az első generáció lila virágú növényeit egy ún. tesztelő keresztezésben fehér virágúakkal keresztezte. Az utódok között 1:1 arányban képződtek lila és fehér virágú növények.

Ma már tudjuk, hogy Mendel megfigyelései általános érvényűek: a Mendel-szabályok nemcsak a borsóra, hanem jószerivel minden magasabb rendű élőlényre érvényesek. Azt is tudjuk, hogy a Mendel-szabályok szerint öröklődő tulajdonságokat olyan gének kódolják, amelyek a sejtmagban vannak, és részei a kromoszómáknak, a kromoszómán belül pedig a DNS kettős spirálnak.

AZ EMBRIÓK ÉLETÉNEK ELSŐ SZAKASZA

Az 1920-as évek elején, miközben a kutatók azt tanulmányozták, hogy miként öröklődik egy mocsári csigafaj (Lymnaea peregra) házának tekeredési iránya, szokatlan öröklődésmenetre lettek figyelmesek. Azokból a keresztezésekből, amelyekben jobbra tekeredő házú nőstény csigákat balra tekeredő házú hímekkel kereszteztek, az első generációban miden csiga háza jobbra tekeredett. Az eredmény nem meglepő: a jobbra tekeredés domináns, a balra tekeredés recesszív. A várakozással ellentétben viszont a második generációban is minden csiga háza jobbra tekeredett. A harmadik generációban a jobbra és a balra tekeredő csigák aránya 3:1 volt, amint azt Mendel egyik szabálya szerint várnánk. Vagyis a csigaház tekeredésének iránya a Mendel-szabályok szerint öröklődik, csak egy generációt késve. A reciprok keresztezésben azután balra tekeredő házú nőstény csigákat kereszteztek jobbra tekeredő házú hímekkel. Meglepetésre az összes utód háza balra tekeredett. Hogyan lehetséges az, hogy az egyik kísérletben a balra, a másikban a jobbra tekeredés iránya a domináns? További meglepetést keltett az a tény, hogy a második generációban minden csiga háza jobbra tekeredett.

A csigaház tekeredési irányát az anya genetikai tartalma határozza meg. Ha az anya hordozza a D-vel jelölt ép gént, és petesejtjei a D gén termékét (egy olyan fehérjeféleséget, amely meghatározza a zigóta első osztódási orsójának irányát), az utód háza jobbra tekeredik. Ha az anya genetikai állománya nem tartalmaz funkcióképes D gént, hanem csak annak a d-vel jelölt, funkcióját vesztett mutáns változatát, a petesejt nem tartalmazza a D-kódolt fehérjét, ami miatt az utódok csigaháza balra tekeredik. Lényegében tehát az utód küllemét, sorsát nem a saját, hanem az anya genetikai állománya határozza meg a petesejt citoplazmájába helyezett molekulákkal.

A jelenség neve anyai hatás. Lényege, hogy a petesejtek citoplazmája olyan molekulákat tartalmaz, amelyek képződését az anya génjei kódolják. Az anyai hatás molekulái a petesejtek érése során képződnek és válnak a petesejtek citoplazmájának alkotójává. Azért, hogy a megtermékenyülést követően irányítsák az embriók életét.

E molekulák benne vannak a petesejt, pete, tojás citoplazmájában, képződésüket az anya génjei szabályozzák. A petesejt tehát nemcsak sziket (tartalék tápanyagokat) tartalmaz, hanem olyan molekulákat is, amelyek az embriógenezist irányítják. Az anyai hatás jelentősége azokban a fajokban kifejezett, amelyek embriói petékben, tojásokban az anya szervezetén kívül fejlődnek. Az anyaméhen belül fejlődő embriók esetében, ahol van lehetőség az „utánpótlásra”, az anyai hatás jelentősége kisebb, mint például a békaembriók esetében. Az egér embriók a négy-, az ember embriók pedig már a kétsejtes állapotban „bekapcsolják” egyik-másik génjüket. Az anyai hatás természetesen sokkal tovább tart, mint a négy-, illetve a kétsejtes állapot.

Képzeljünk el egy asszonyt, akinek egy, az anyai hatásban résztvevő génjének mindkét kópiája mutáns (m), elvesztette funkcióját, ami miatt petesejtjeinek citoplazmájából hiányzik egy gén terméke. Bár az asszonynak képződnek petesejtjei, amelyek látszólag épek, megtermékenyülnek, és elkezdődik bennük az embriógenezis, az embrió fejlődése a géntermék hiányában elakad, az embrió elpusztul, az asszony meddő, bárkitől is származzon a petesejtet megtermékenyítő spermium. A meddő nők 8-10%-a e genetikai ok miatt meddő. Problémájukra két megoldás kínálkozik. „Kisegíthetik” a fel nem töltött petesejtet egy ép petéből származó citoplazma injekcióval, vagy kivehetik a nő megtermékenyült petesejtjéből a zigóta sejtmagját, és egy olyan ép petesejtbe ültethetik, amelynek a magját eltávolították. A sejtmag-transzplantációval létrehozott zigótából – mivel a citoplazmája ép – élőlény fejlődik. E megoldásnak köszönhetően már három gyermek született.

A petesejt citoplazmájának feltöltése, felkészítése a fogamzásra heteken át tartó folyamat. A magzatvédő program célja az, hogy felkészítsék a nőket a gyermekvállalásra: éljenek olyan életet, amely lehetővé teszi petesejtjeik feltöltődését az anyai hatás tényezőivel. Ne dohányozzanak, ne dolgozzanak szerves oldószerekkel, fogyasszanak vitamindús ételt. A program hasznosságát mi sem bizonyítja jobban, mint hogy a programban felkészült asszonyoknak nem született nyitott gerinccsatornájú, koponyahiányos gyermeke, és utódaik között a fejlődési rendellenességgel születettek aránya elhanyagolható. A magzatvédő vitaminkeverék legfontosabb komponense a folsav. Az USA-ban, éppen a program tapasztalatai alapján, a pékárukat folsavval dúsítják. Magyarországon is kapható néhol folsav tartalmú kenyér.

ANYAI ÖRÖKLŐDÉS – ÖRÖKLŐDÉS A SEJTMAGON KĺVÜL

A huszadik század kezdetén, amikor újra felfedezték az öröklődés törvényszerűségeit, néhány kutató különös öröklődéstípusra figyelt fel. Abból a kísérletből, amelyben zöld növények petesejtjeit sárga növények pollenjeivel termékenyítették meg, csak zöld növények származtak. (A zöld és a sárga növények egyaránt termelnek sárga színű karotint. A sárga növények, mivel nem képződik bennük klorofill, sárgák.) Az eredmény nem meglepő: a zöld tulajdonság domináns, a sárga (a klorofillképzés hiánya) recesszív. A különös az, hogy a második generációban csak zöld növények képződtek, sárga egy sem. Sőt, amikor a zöld utódnövények petesejtjeit sárga növény pollenjeivel termékenyítették meg, az utódok mindegyike zöld volt. Az utód zöld növényeket sárga növények pollenjeivel megtermékenyítve ismét csak zöld növények származtak. A keresztezéseket végtelen generáción át lehet folytatni, az eredmény nem változik.

Mintha a sárga tulajdonság eltűnne az egymást követő generációkban, mintha az utódok csak az anyjuktól kapnának a levelek színét meghatározó információt. Az első keresztezés fordítottjából, amelyben sárga növények petesejtjeit zöld növények pollenjeivel termékenyítették meg, csak sárga növények származtak. Miként lehetséges, hogy az egyik keresztezésben a zöld, a másikban a sárga domináns?

Mivel az utódok külleme (fenotípusa) mindig olyan volt, mint az anyjuké, az öröklődés itt bemutatott típusát anyai öröklődésnek nevezték el. Rövidesen kiderült, hogy az anyai öröklődés alapját azok a DNS-molekulák adják, amelyek nem a sejtmagban, hanem a kloroplasztokban, a mitokondriumokban, vagy az endoszimbionta (a sejtek citoplazmájában élő) baktériumokban vannak. Minthogy az élőlények összes kloroplasztja, mitokondriuma (csak úgy, mint az endoszimbionta baktériumok) anyai eredetű, nem meglepő, hogy az anyai öröklődést mutató tulajdonságokat a kloroplasztokban, a mitokondriumokban vagy az endoszimbionta baktériumokban levő DNS-molekulák határozzák meg. Mivel a kloroplaszt, a mitokondrium, és az endoszimbionta baktériumok DNS-e nem a sejtmagban van, az anyai öröklődést extranukleáris vagy extrakromoszómális öröklődésnek is nevezik.

Az ember ép mitokondriális DNS-e tizenhárom olyan fehérjeféleség szintézisét kódolja, amelyek a mitokondriumokban folyó, az ATP-molekulák képződését eredményező ún. oxidatív foszforilációs folyamatban szerepelnek. A mtDNS kétféle rRNS, valamint huszonkét tRNS-féleség képződését is kódolja. Az ember egy-egy mitokondriumában általában 2-5 mtDNS-molekula van. Hogyan hatnak vajon a mitokondriumra a mutációk? Természetesen elpusztulnak azok a sejtek, amelyek minden mitokondriuma csupa funkcióképtelen (mutáns) mtDNS-t tartalmaz. Ellenben élet- és funkcióképesek lehetnek azok a sejtek, amelyekben egyidejűleg háromféle mitokondrium van: egyesek csupa ép mtDNS-el, mások ép és mutáns mtDNS-el, s néhány csupa mutáns mtDNS-el.

Ismét képzeljünk el egy asszonyt, akinek valamely petesejtjében az említett háromféle mitokondrium van, és azt is, hogy a petesejt megtermékenyül, elkezdődik az embriógenezis, folynak a sejtosztódások. Ha a mutáns mtDNS-ből egy szakasz hiányzik, a megrövidült mtDNS-ek replikációja rövidebb ideig tart, mint az ép mtDNS-eké. A mtDNS-ek között az egymást követő replikációk során növekszik a mutáns mtDNS-ek aránya, ami miatt a mitokondriumok között egyre gyakoribbak lesznek az olyanok, amelyek csak mutáns mtDNS-t tartalmaznak. A sejtosztódások előrehaladtával pedig egyre gyakoribbak lesznek az olyan sejtek, amelyekben sok a mutáns mitokondrium, esetleg mind az. A csökkent funkciójú és/vagy funkcióképtelen mitokondriumokat tartalmazó sejtek energiaellátása csökken, a sejtek funkciójukat tökéletlenül, vagy egyáltalán nem tudják betölteni, és akár el is pusztulhatnak. Minthogy a mitokondriumok funkcióvesztését elsősorban a sok ATP-t igénylő (izom-, ideg-) sejtek sínylik meg, nem véletlen, hogy az anyai öröklődést mutató tulajdonságok elsősorban az izom-, valamint az idegsejtek funkcióját érintik.

A mtDNS egyik fontos jellegzetessége, hogy hibái – nem úgy, mint a sejtmagi DNS-ben – nem javítódnak. A sejtosztódások előrehaladtával egyre gyakoribbakká válnak a funkcióképtelen mitokondriumok, és csak idő kérdése, hogy olyan sejtek képződjenek, amelyek ATP-ellátása elégtelen, és előbb-utóbb elpusztulnak. A mtDNS rövidülése és elszaporodása életünk során valóság: az idősebb emberekben sokkal gyakoribbak a megrövidült mtDNS-ek, mint a fiatalokban – ez a változás az öregedés egyik alapvető tényezője.

Készítette az M&H Communications szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.